日本研究人员查明压电机理

日本东京工业大学与东京大学的研究小组2016年8月23日宣布，通过实验证实，在压电体的晶体中，电极化方向的转动会使压电特性升高。借助这一发现，有望开发出不使用破坏环境的铅的新压电材料。

正方晶（左）、菱方晶（中）、MA型单斜晶压电体（右）的晶体结构 正方晶相与菱方晶相由电极化的方向（箭头）固定，而单斜晶相的极化方向可以在粉红色的面内转动（图片来自东工大的发布资料）

压电体受外力作用会产生电荷，对其施加电压会引起变形。作为转换电和运动（变形）的物质，压电体被应用到了超声波诊断机、喷墨打印机、相机等各种电子产品的传感器和致动器中。现在主流的压电体叫作PZT，是钛酸铅与铅锆混合而成的固溶体材料，但在这种材料中，铅的重量占到了68％，因此人们一直希望开发出一种无铅的替代物质。

MC型单斜晶、MA型单斜晶、正方晶结构的模式图（上）与压电特性的Co置换量依赖性 （图片来自东工大的发布资料）

按照推测，PZT之所以具备优秀的压电特性，是因为菱面体钙钛矿“铅锆”与正方晶钙钛矿“钛酸铅”的相界存在低对称性的单斜晶相，电极化的方向可以在晶体结构内发生变化（转动）。但这一推测并没有在实验中得到证实。

此次研究中，研究人员从晶体结构的相似性出发，将焦点锁定在了由菱面体钙钛矿“铁酸铋”与正方晶钙钛矿“钴酸铋”混合而成的固溶体BiFe_1-xCo_xO₃。已有研究表明，在这种固溶体中，存在与PZT中相同的M_A型单斜晶相，其晶体结构能够发生电极化的转动。

这一次，研究人员以可以评估压电特性的薄膜形态，成功制备出了稳定的BiFe_1-xCo_xO₃。通过使用薄膜X射线衍射和扫描透射型电子显微镜详细分析其晶体结构，研究人员发现，随着钴的增加，晶体结构会从极化方向与PZT不同的M_C型单斜晶相向M_A型转变，进而转变为正方晶相。

详细评估压电特性的结果表明，M_A型单斜晶相会使压电特性升高。而且，晶体应变越大的结构，极化有转动的余地，压电特性也就越高。这意味着电极化方向发生转动会使压电特性升高，为提高钙钛矿压电体的压电特性指明了方向。

此次成果已于2016年8月24日发表在德国科学期刊《Advanced Materials》的网络版上。（特约撰稿人：工藤宗介）

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